Question

（12分） 1909年化學家哈伯在實驗室首次合成了氨。2007年化學家格哈德·埃特爾在哈伯研究所證實了氫氣與氮氣在固體表面合成氨的反應過程，示意如下圖：

（1）圖⑤表示生成的NH₃離開催化劑表面，圖②和圖③的含義分別是______，______。
（2）已知：4NH₃(g) + 3O₂(g) = 2N­­₂(g) + 6H₂O(g);  ΔH=  - 1266.8 kJ/mol
N₂(g) + O₂(g) =" 2NO(g)" ; ΔH =" +" 180.5kJ/mol， 氨催化氧化的熱化學方程式為__________。
（3）500℃下，在A、B兩個容器中均發生合成氨的反應。隔板Ⅰ固定不動，活塞Ⅱ可自由移動。

①當合成氨在容器B中達平衡時，測得其中含有1.0molN₂，0.4molH₂，0.4molNH₃，此時容積為2.0L。則此條件下的平衡常數為____________；保持溫度和壓強不變，向此容器中通入0.36molN₂，平衡將__________（填“正向”、“逆向”或“不”）移動。
②向A、B兩容器中均通入xmolN₂和ymolH₂，初始A、B容積相同，并保持溫度不變。若要平衡時保持N₂在A、B兩容器中的體積分數相同，則x與y之間必須滿足的關系式為____。

Answer 1

（14分）
（1）N₂、H₂被吸附在催化劑表面，（2分）在催化劑表面N₂、H₂中化學鍵斷裂（2分）
（2）4NH₃(g)+5O₂(g)=4N­­O(g)+6H₂O(g)   ΔH=-905.8kJ/mol（3分）
（3）10（2分）    逆向（2分）      x=y （3分）

試題分析：（1）氮氣、氫氣在催化劑表面合成氨反應過程的順序為：圖①氮氣分子和氫氣分子向催化劑表面靠近，圖②氮氣和氫氣吸附在催化劑的表面，圖③在催化劑的作用下分解成氫原子和氮原子，在催化劑表面N₂、H₂中的化學鍵斷裂。
（2）①4NH₃（g）+3O₂（g）═2N₂（g）+6H₂O（g）△H=-1266.8kJ?mol^-1；
②N₂(g) + O₂(g) = 2NO(g)   ΔH =" +" 180.5kJ/mol；
根據蓋斯定律①+2×②可得：4NH₃(g)+5O₂(g)=4N­­O(g)+6H₂O(g)△H=（-1266.8kJ?mol^-1+2×180.5kJ?mol^-1）=-905.8kJ/mol，可寫出熱化學方程式。
（3）①N₂、H₂、NH₃的平衡濃度分別為：0.5mol?L?¹、0.2mol?L?¹、o.2mol?L?¹，則平衡常數K=0.2²÷（0.5×0.2³）=10；保持溫度和壓強不變，向此容器中通入0.36molN₂，氣體總物質的量為1.0mol+0.4mol+0.4mol+0.36mol=2.16mol，體積與物質的量成正比，則體積為2L×2.16mol/1.8mol=2.4L，則Q=(0.4/2.4)²÷[1.36/2.4×(0.4/2.4)³]=10.6>K，則平衡將向逆向移動；設轉化率為a，根據三段式可得：
N₂ + 3H₂ 2NH₃           
起始物質的量（mol）  x    y        0
轉化物質的量（mol）  ax   3ax     2ax 
平衡物質的量（mol） x-ax y-3ax    2ax
則N₂的體積分數為x（1-a）/(x+y-2ax)，當x=y時，上式為定值=50%，所以若要平衡時保持N₂在A、B兩容器中的體積分數相同，則x與y之間必須滿足的關系式為x=y。